关埠引水隧洞超高强度岩石TBM刀具选型及布置

2021-05-31胡江涛乔晓锋

广东水利水电 2021年5期

胡江涛，乔晓锋，2

(1. 广东水电二局股份有限公司，广东广州 511340;2.广东省水利水电工程技术研究中心，广东广州 511340)

1 概述

全断面硬岩掘进机(TBM)是集机、电、液、光于一体，使用国内外先进技术集成，专门为隧道施工开发的一套设备，广泛用于各施工领域中，例如地铁建设、引水工程、铁路建设、电力工程、煤矿开采等隧洞工程的建设。刀盘作为TBM的重要部件，在掘进工作中有着极其重要的意义，刀盘设计的合理性对提高TBM掘进效率，降低施工成本起着决定性的作用。

全断面硬岩掘进机刀盘的设计不仅要考虑刀盘直径、滚刀间距、刀具形式、滚刀直径、滚刀启动扭矩及单刀承载力，还要根据具体的围岩地质条件、现场具体情况等进行综合考虑，使刀盘的特性符合施工要求。该文以榕江关埠引水工程中使用的中铁装备CREC5060E—2100刀盘设计为例展开讨论。

2 TBM刀盘结构形式及破岩机理

2.1 刀盘结构形式

刀盘按照结构形式分为3种：辐条式、复合式、TBM硬岩刀盘[1]。

辐条式刀盘特点：对刀盘磨损较大，渣土改良较困难，不利于保持土压平衡。辐条式刀盘结构特点为：辐条式大开口(70%～75%)，易于进渣，刀具磨损小。辐条式刀具布置：刀盘中心为中心鱼尾刀，切削刀分层布置，加大合金尺寸以及合金数量以加强其耐冲击及耐磨性能。

复合式刀盘特点：针对硬岩地层和卵石地层具有较强的破岩能力。复合式刀盘结构：辐条+面板，面板易于稳定支撑掌子面。复合式刀具布置：刀盘中心为中心双联滚刀+单刃滚刀+刮刀+边刮刀；滚刀主要起破岩作用，刮刀和边刮刀主要带动渣土流动。

TBM硬岩刀盘特点：针对极硬岩地层具有较强的破岩能力。TBM硬岩刀盘结构：面板分块焊接，能充分破碎岩石，面板能防止过多坍塌，有利于掌子面的稳定，开口率过小，刀盘底部容易积渣，极易造成滚刀的二次磨损，直接影响掘进速率和滚刀的破岩量，开口率过大，影响刀盘布刀，且较大的岩渣会对损坏主机皮带[2]。TBM硬岩刀盘刀具布置：刀盘中心为双联滚刀+单刃滚刀+TBM铲斗齿；滚刀起破碎岩石的作用，TBM铲斗齿用于清除边缘部分开挖岩渣，防止岩渣沉积，确保开挖直径，防止刀盘边缘的间接磨损。

刀盘作为TBM最主要的部件之一，是刀具破岩承重载体。在设备掘进过程中，地质条件变化很大，刀盘承受滚刀传递的各种力的集成，所以对刀盘结构有特别高的要求。刀盘的结构设计包含很多方面，例如刀具的布置、盘体结构拓扑参数、出渣系数设计、分布形式及支撑结构等方面的内容。滚刀在工作中受到3个方向的力：正向力、滚动力、侧向力[3]。

中铁装备CREC 5060E—2100刀盘选用尺寸为Φ5 060×1 860，分2块进行安装，耐磨板护板材质为GP5060+HARDOX450+硬质合金块，采用形式为TBM 硬岩刀盘。

2.2 盘形滚刀破岩机理[4]

盘形滚刀破岩机理直接影响到受力分析。目前，TBM盘形滚刀的破岩机理有3种不同的理论：

1)由楔块作用引起剪切破坏；

2)岩体在滚刀楔块作用下产生径向裂纹，裂纹扩张到岩体表面进行破坏，或有相邻裂纹交错引起的岩石破碎；

3)滚刀楔入并滚压岩石时，岩石破坏属几种机理的结合，有裂纹扩展拉伸破坏、剪切破坏及挤压破坏。

上述3种情况是假设岩石在理想的状态下，不存在裂隙、孤石等多种不利因素。

在实际施工过程中，围岩的变化是非常复杂的，在TBM掘进过程中，操作手应不断对参数进行调整，应对各种不利因素，例如孤石、上软下硬、裂隙、掌子面渗水、残余应力等。

刀盘上布置盘形滚刀，设备掘进过程中，推进油缸将整个刀盘压向隧道掌子面，同时旋转刀盘，刀具在刀盘旋转的带动下，在与岩石接触的摩擦力作用下同时产生滚动，刀具会在掌子面上形成按刀间距排列的同心圆轨迹。该过程中，刀圈刃部切入岩石，使岩石破裂产生横向裂纹，相邻刀位的刀具压裂岩石产生的横向裂纹互相影响并相互交叉，形成片状的剥落岩碴(见图1～2)。在刀盘的旋转推进过程中，整个掌子面的岩石不断的破裂剥落，被刀盘碴斗收集后通过输送机构带出洞外，隧道掘进机得以不断的向前推进[5]。在滚刀破岩的过程中，切削力、刀间距、贯入度、岩石力学性能及其相互关系直接硬岩破岩效果，是刀盘设计与选用的重要依据[6]。

3 TBM刀盘设计与选用

3.1 刀盘直径的确定

榕江关埠引水工程选用的TBM为双护盾，根据现场实际围岩特点及设备具体情况,其刀盘直径主要取决于以下几点：

① 管片规格尺寸；

② 护盾类型(单护盾或双护盾)；

③ 盾尾设计方式(密封盾尾或开放盾尾)；

④ 刀盘中线相对于护盾中线的偏移量；

⑤ 边刀磨损范围(一般取值为10～15 mm)；

⑥ 径向超挖量(一般取值为30 mm)。

① 破碎后的岩石；②/⑤ 破碎岩石横向裂纹；③/④ 破碎岩石纵向裂纹；⑥ 滚刀刀刃

图2 相邻刀具压裂岩石示意

护盾式刀盘直径可按式(1)进行计算：

D=D0+2(H+T)

(1)

式中D为理论刀盘直径，mm；D0为成洞后直径，mm；T为管片厚度，mm;H为充填豆砾石和灌浆厚度之和(当D取值为3 000～8 000 mm时，H为60～150 mm)。

根据式(1)代入计算(D0取值4 300 mm、T取值250 mm、H取值130 mm)：

D=4 300+2(250+130)=5 060 mm(如图3所示)。

图3 刀盘直径示意

3.2 滚刀的选用

盘形滚刀装刀形式分为前装式和背装式，前装式刀具换刀时需进入刀盘与掌子面之间作业，为了保证施工人员的安全，只在地质条件较好时使用，背装式刀具换刀作业在刀盘的背面进行，能够较好地保证人员的安全。

中铁装备CREC 5060E—2100刀盘采用43.18 cm双联刀和48.26 cm单联刀以及TBM 铲斗齿形式，滚刀主要用于破碎岩石，TBM铲斗齿用于清除边缘部岩渣，防止岩渣沉积，确保开挖直径，防止刀盘边缘间接磨损。滚刀最大承载力为311 kN，滚刀间距为72 mm，刀盘采取六边形蜂窝状形式，刀盘开口率为7.5%，溜渣槽为6个，最大允许推力为10 000 kN。这种形式的刀盘，既能保持结构强度，又能保持较快的出渣速度[7]。

中铁装备CREC 5060E—2100刀盘滚刀采取背装式，对滚刀的拆装可在土仓内进行，选用直径为48.26 cm的滚刀27把，43.18 cm的滚刀8把(见图4)，滚刀能承受载荷见表1所示[8]。

表1 对应尺寸刀具与载荷关系 cm

图4 刀盘布置形式示意

3.3 滚刀扭矩调整

在TBM刀具管理中，应根据不同围岩类别对滚刀启动扭矩调节，避免刀具发生刀圈崩刃、刀圈偏磨、刀圈移位、轴承失效、密封失效、刀体及刀轴等结构件失效等非正常失效(见图5)。据统计，刀具失效多数是由于轴承失效引起的[9]。

图5 刀具失效形式示意

榕江关埠引水工程T3工区在施工过程中，围岩地质变化较大，围岩单轴抗压强度在100～200 MPa之间，不同的围岩强度对刀盘的起动扭矩要求也不同。经过对前期掘进过程刀具损耗统计分析，将滚刀的启动扭矩控制在28～39 N·m，并根据不同的地质条件匹配合适的刀具起动扭矩，当围岩单轴抗压强度在100 MPa以下时，刀具的启动扭矩为28 N·m；当围岩单轴抗压强度在150 MPa左右时，刀具的启动扭矩为31～33 N·m之间；当围岩单轴抗压强度在200 MPa左右时，刀具的启动扭矩为35～39 N·m之间。这样能够使轴承在不同的工况下适应相应地质条件，降低刀具损耗，有效降低了隧道施工成本[10]。

3.4 确定滚刀间距和滚刀数量

理论上，影响滚刀间距因素主要有以下3点：① 岩石类型；② 岩石物理力学属性；③ 岩体节理分布等因素。

根据美国科罗拉多矿业学院的滚刀岩石机理的推力计算公式，TBM在掘进时的刀间距(S)按式(3)计算[11]：

(3)

式中FV为总推力；δC为岩石单轴抗压强度；τ为岩石无侧限抗剪强度；D1为滚刀直径；Φ为盘形滚刀刀刃角；h为盘形滚刀切深。

根据公式(3)代入相应值：Φ=60°(厂家提供)；h=3 mm(厂家提供)；FV=100 000 N；D1=482.6 mm;δC=200 MPa(技术部提供);τ=30 MPa(技术部提供)。

=2×3×0.58+(1506-40)×0.05≈76(mm)。

刀盘滚刀数量由下式计算可知：

N=D/2S

(4)

式中N为滚刀数量；D为刀盘直径；S为刀间距。

根据公式(4)代入相应值计算(D=5 060 mm；S=76.4 mm)。

N=D/2S=5060/2×76.4=33.1 把。

中铁装备CREC 5060E—2100刀盘初期设计为33把滚刀，刀间距约76 mm，经过分析地质资料，考虑地质围岩以花岗岩为主，围岩完整性好，局部岩石单轴抗压强度可达到230 MPa,经与设备厂家沟通协调增加2把滚刀，实际配置为35把滚刀，滚刀的平均间距约为72 mm。滚刀在刀盘上采取同心圆布置法，同时考虑以下2点:① 刀具在刀盘上布置，尽量使刀盘受力均匀，且不受径向载荷的影响；② 在设备掘进过程中，滚刀上产生的力对刀盘产生的倾覆力矩代数和趋于无穷小[12]。

4 现场实施情况

榕江关埠引水工程输水隧洞长约27.055 km，其中采用TBM工法隧洞长为24.588 km。该施工区域围岩以弱风化微风分花岗岩为主，围岩坚硬完整、石英含量高、岩石强度高(围岩最高可达190～230 MPa，如图6所示)。

图6 现场围岩取样示意

中铁装备CREC 5060E—2100硬岩刀盘在实际掘进过程中效率较高，在以弱风化微风化花岗岩为主的围岩中，当推力保持在8 500 kN以上时，贯入度能保持在4～5 mm之间，速度能保持在35～45 mm/min之间(见图7)；在以全风化强风化花岗岩为主的围岩中，当推力保持在4 000～6 000 kN时，贯入度能保持在6～8 mm之间，速度能保持在75 mm/min之间。在项目实施过程中，平均月进尺达到了600 m，月最高进尺达到693 m。实践证明，该刀刀盘选型合理。相对于项目建设初期策划阶段，厂家提供的在弱风化—微风化花岗岩中，贯入度仅保持在3 mm左右，当在以全风化强风化花岗岩为主的围岩中，贯入度仅保持在5 mm左右，月进尺保持在500 m有了较大的提升。